(57)【要約】【課題】            ウエハ保持面の均熱性に優れ、半導体等製造装置や液晶製造装置等に用いるのに好適なセラミックスヒータを提供する。【解決手段】        板状のセラミックス焼結体１に抵抗発熱体２が形成されていて、セラミックス焼結体外周縁１ａと実質的な抵抗発熱体領域外周縁２ａとの間のプルバック長さＬのばらつきが±０．８％以内であり、ウエハ保持面の全面における均熱性が±１．０％以下である。好ましくは、プルバック長さＬのばらつきを±０．５％以内とすることで、±０．５％以下の優れた均熱性を達成することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のセラミックス焼結体に抵抗発熱体が形成され、セラミックス焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのばらつきが±０．８％以内であることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
前記プルバック長さのばらつきが±０．５％以内であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項３】
前記セラミックスが窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種の物質からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
【請求項４】
前記抵抗発熱体がＷ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種の金属からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックスヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスヒータに関し、特にＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、エッチング装置、プラズマエッチング装置のような半導体等製造装置や液晶製造装置等に用いられるセラミックスヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
成膜チャンバー内に保持された半導体ウエハは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)、プラズマＣＶＤ、エッチング、プラズマエッチング等の膜形成速度やエッチング速度を均一に行うために、その表面の温度が厳密に制御される必要がある。
【０００３】
その温度制御のために、ウエハ保持体にヒータを内蔵し、ウエハ保持体の表面を加熱して、伝熱によって半導体ウエハを加熱している。従来から、このようなウエハ保持体として、耐熱性、耐食性、絶縁性を備えた窒化アルミニウムや窒化ケイ素等のセラミックスが用いられていた。
【０００４】
そして、上記ヒータを内蔵したセラミックス製のウエハ保持体は、例えば円板状の窒化アルミニウム成形体に形成した溝にＭｏコイルを這わせ、もう一枚の窒化アルミニウム成形体で挟み込み、ホットプレス焼結により窒化アルミニウムの焼結及びＭｏコイルを内蔵するという方法により製造されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒータを内蔵したセラミックス製のウエハ保持体、即ちセラミックスヒータにおいて、ヒータの抵抗発熱体構成成分は、シリコンウエハ等の半導体材料や液晶材料に対して極微量でも不純物元素と見なされ、出来上がった半導体チップや液晶の誤動作等の原因となり得る。
【０００６】
そこで、半導体製造装置等のチャンバー内に抵抗発熱体が表出しないように、セラミックスヒータ内に完全に埋設するか、あるいはセラミックス表面に形成した抵抗発熱体を保護層で被覆する必要がある。そのため、セラミックスヒータの外周部には、抵抗発熱体が埋め込まれていない領域、即ち非発熱領域が必ず存在することになる。また、抵抗発熱体で発生した熱は、セラミックス中を伝わって表面に到り、表面から輻射あるいはガスを介した伝熱によって逃げていく。そのため、円板状あるいは矩形板状のセラミックスヒータにおいて、外周近傍が最も熱が逃げやすい場所となる。
【０００７】
この上記２つの原因が合わさるため、セラミックスヒータの外周は最も温度が低下しやすい部分である。これを解決するため、セラミックスに熱伝導率の高い材料を用い、抵抗発熱体で発生した熱を外周側へ素早く拡散させることによって、温度差をなくすことが行われている。また、抵抗発熱体の外周側ほどコイルの巻き密度や抵抗発熱体のパターン密度を上げることによって、外周側の発熱密度を上げ、熱補償して温度差をなくそうとする工夫もなされている。
【０００８】
しかし、セラミックス成形体の溝内に這わせたコイルは、セラミックス成形体で挟み込んでホットプレスすると、不定形状に押し潰されて実質的な抵抗発熱体領域外周縁が乱れてしまう。その結果、抵抗発熱体における発熱量と非発熱部への熱拡散、端部からの熱の逃げ補償などを厳密に計算して均熱設計したにも関わらず、実際には端部における実質的な発熱領域が乱れてしまい、セラミックスヒータ全面における望ましい均熱性を得ることができなかった。
【０００９】
しかるに、近年における半導体ウエハの大型化に伴い、ウエハを加熱するためのセラミックスヒータに対する均熱性の要求も厳しくなってきており、ウエハ保持面において最低でも±１．０％以内、望ましくは±０．５％以内の均熱性が必要とされている。
【００１０】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、板状のセラミックス焼結体中にコイル状の抵抗発熱体が埋設されていて、ウエハ保持面全面における均熱性に優れたセラミックスヒータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックスヒータは、板状のセラミックス焼結体に抵抗発熱体が形成されていて、セラミックス焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との問のプルバック長さのばらつきが±０．８％以内であることを特徴とする。また、前記プルバック長さのばらつきは、±０．５％以内であることが好ましい。
【００１２】
上記本発明のセラミックスヒータにおいては、前記セラミックスが窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種の物質からなることを特徴とする。また、前記抵抗発熱体がＷ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種の金属からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、板状のセラミックス焼結体中にコイル状の抵抗発熱体が埋設されたセラミックスヒータについて、焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのばらつきを制御することで、そのウエハ保持面全面における均熱性を要求されている±１．０％以下にすることができ、更に好ましくは±０．５％以下という優れた均熱性を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、鋭意検討の結果、セラミックス焼結体に抵抗発熱体を形成したとき、その焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのぱらつきを実質的に±０．８％以内にすることにより、セラミックスヒータ全面における均熱性が、最低限必要とされている±１．０％以内を満足することを見出した。
【００１５】
更に、セラミックス焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのばらつきを実質的に±０．５％以内にすることにより、セラミックスヒータ全面における均熱性が、最も望ましいとされる±０．５％以内となることを見出した。
【００１６】
セラミックス焼結体に埋設する抵抗発熱体の一例を図１に示す。セラミックス焼結体１に埋設された抵抗発熱体２はコイル状の回路パターンをなし、セラミックス焼結体１の焼結体外周縁１ａと抵抗発熱体２の抵抗発熱体領域外周縁２ａとの間の長さＬがプルバック長さである。尚、コイル状をなす抵抗発熱体２は２つの回路端部２ｂ、２ｂから引出線を通じて系外に取り出され、電源からの電力供給により発熱させるようになっている。また、図１に示す抵抗発熱体２の回路パターンは一例であって、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００１７】
セラミックス成形体やグリーンシート上に抵抗発熱体の回路パターンを形成して焼結する場合、基材と回路パターンが緻密化し収縮しながら焼結が進行する。その際、焼結助剤の不均一性、脱脂後のカーボン残渣不均一による焼結助剤としての酸化物の不均一な揮発、焼結時の炉内温度や雰囲気のばらつきにより、均一に収縮させることは非常に難しく、実質的な抵抗発熱体存在領域の形状は歪みやすい。また、セラミックス成形体にヒータ形状のＭｏコイルやＭｏシートを置いてホットプレス焼結しても、ホットプレス焼結の過程でコイルやシートが押し潰されて拉げたり、歪んだり、位置ずれしたりするため、実質的な抵抗発熱体領域の外周縁が変形する。
【００１８】
セラミックス焼結体の外周縁は加工により最終的な精度を出せるが、実質的な抵抗発熱体領域が変形すると、セラミックス焼結体外周縁と抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さにばらつきが生じてしまう。これらをすべて厳密に均一になるように管理し、セラミックス焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのばらつきを実質的に±０．８％以内、望ましくは±０．５％以内にすることにより、上述の優れた均熱性が得られる。尚、プルバック長さは、対象とするウエハ等に応じて適宜定めることができる。
【００１９】
このようなプルバック長さのばらつきを一定範囲にコントロールする方法としては、既に焼結を終えてそれ以上収縮変形しないセラミックス焼結体を精度良く加工した表面に、抵抗発熱体成分と焼結助剤を混練したペーストで回路を印刷した後焼き付けると、抵抗発熱体回路を変形せずに焼き付けることができる。その後、この抵抗発熱体回路を焼き付けたセラミックス焼結体と同一外径のセラミックス焼結体を、接合材を用いて接合することによって、内部に抵抗発熱体を埋設したセラミックスヒータを容易に作製することができる。あるいは、抵抗発熱体表面を保護層で被覆することにより、抵抗発熱体を有するセラミックスヒータも容易に作製することができる。
【００２０】
抵抗発熱体を形成するセラミックスとしては、耐食性、熱伝導率等の観点から、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種の物質からなることが好ましい。
【００２１】
また、抵抗発熱体としては、耐熱性や発熱に適した固有抵抗値を有する金属、好ましくはＷ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種の金属を用いることができる。
【実施例１】
【００２２】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤として０．８重量％のイットリア（Ｙ２Ｏ３）とバインダとしてポリビニルアルコールを添加し、エタノールを溶媒としてボールミルにより分散混合した後、スプレードライにより造粒した。
【００２３】
得られた造粒粉末を、一軸プレスにより、焼結後に直径３５５ｍｍで厚み５ｍｍとなる寸法に２枚成形した。これらを温度８００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、窒素ガス気流中にて１８５０℃で焼結することによりＡｌＮ焼結体を製造した。このＡｌＮ焼結体の熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫであった。得られたＡｌＮ焼結体の上下両面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。
【００２４】
次に、タングステン粉末にイットリアを１重量％添加し、バインダとしてエチルセルロースを添加混錬し、得られたＷスラリーを用いて１枚のＡｌＮ焼結体上にコイル状のパターンを印刷した。ここで、Ｗパターン外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁の最終的なプルバック長さが１．０ｍｍになるように設定した。これを９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、１８００℃で２時間焼き付けた。
【００２５】
また、Ｙ２Ｏ３−Ａ１２Ｏ３系の接合材に対してエチルセルロースを添加混練し、もう１枚のＡｌＮ焼結体上にパターン印刷した。これを９００℃の窒素気流中で脱脂した後、２枚のＡｌＮ焼結体のＷパターン面と接合材面を合わせて、５０ｋｇｆ／ｃｍ２、１７５０℃でホットプレス接合した。その後、接合体の外周を加工して、直径３５０ｍｍの円形に仕上げた。
【００２６】
得られたセラミックスヒータについて、回路端部から系外に取り出した引出線を通じて電力供給してＷ抵抗発熱体を発熱させ、ウエハ保持面における均熱性を測定した結果、５００℃±０．４０％であり良好な均熱性を示した。尚、このセラミックスヒータを半径方向に切り出して、Ｗ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さ（設定値１．０ｍｍ）を測定したところ、そのばらつきは±０．２％であった。
【実施例２】
【００２７】
Ｗ抵抗発熱体のパターンのみを変えることにより、抵抗発熱体領域外周縁の形状を歪ませたパターンを印刷した以外は実施例１と同様にして、セラミックスヒータを作製した。得られた３種類のセラミックスヒータについて、実施例１と同様に抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきと共に、ウエハ保持面の均熱性を測定した。
【００２８】
その結果、プルバック長さのばらつきが±０．５％のとき、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．５０％であった。また、プルバック長さのばらつきが±０．７５％のとき、均熱性は５００℃±０．７０％であった。更に、プルバック長さのばらつきが±０．８％のときには、均熱性は５００℃±０．９５％であった。
【実施例３】
【００２９】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末に、焼結助剤として０．８重量％の炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）とバインダとしてポリビニルアルコールを添加し、エタノールを溶媒としてボールミルにより分散混合した後、スプレードライにより造粒した。
【００３０】
得られた造粒粉末を、一軸プレスにより、焼結後に直径３５５ｍｍで厚み５ｍｍとなる寸法に２枚成形した。これらを温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、１９５０℃で５時間焼結することによってＳｉＣ焼結体を得た。このＳｉＣ焼結体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。得られたＳｉＣ焼結体の両端面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。
【００３１】
タングステン抵抗発熱体の回路形成及び２枚の焼結体の接合を実施例１と同じ手法で行い、得られたセラミックスヒータについて実施例１と同じ評価を行ったところ、プルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４６％であった。
【実施例４】
【００３２】
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末に、焼結助剤として２重量％のイットリアと１重量％のアルミナを添加し、バインダとしてポリビニルアルコールを添加し、エタノールを溶媒としてボールミルにより分散混合した後に、スプレードライにより造粒した。
【００３３】
得られた造粒粉末を、一軸プレスにより、焼結後に直径３５５ｍｍで厚みが５ｍｍとなる寸法に２枚成形した。これらを温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、１６００℃で４時間焼結することによってＳｉ３Ｎ４焼結体を得た。このＳｉ３Ｎ４焼結体の熱伝導率は２２Ｗ／ｍＫであった。得られたＳｉ３Ｎ４焼結体の両端面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。
【００３４】
また、タングステン粉末にイットリアを１重量％添加し、バインダとしてエチルセルロースを添加混練して、Ｓｉ３Ｎ４焼結体の１枚の上にコイル状にパターン印刷した。これを９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、１５００℃で１時間焼き付けた。ここで、Ｗパターン外周縁とＳｉ３Ｎ４焼結体外周縁の最終的なプルバック長さが１．０ｍｍになるように設定した。
【００３５】
また、低融点ガラス系の接合材に対しエチルセルロースを添加混練し、もう１枚のＳｉ３Ｎ４焼結体上にパターン印刷した。これを７００℃の大気気流中で脱脂した後、２枚のＳｉ３Ｎ４焼結体をＷパターン面と接合材面を合わせて、１００ｇ／ｃｍ２、８００℃でホットプレス接合した。その後、接合体の外周を加工して、直径３５０ｍｍの円形に仕上げた。
【００３６】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同じ評価を行ったところ、プルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４５％であった。
【実施例５】
【００３７】
酸化アルミニウム（Ａ１２Ｏ３）粉末に、焼結助剤として１重量％のマグネシア（ＭｇＯ）とバインダとしてポリビニルアルコールを添加し、分散混合して乾燥した粉末を、一軸プレスにより焼結後に直径３５５ｍｍで厚み５ｍｍとなる寸法に２枚成形した。
【００３８】
これらを温度７００℃の大気ガス気流中で脱脂した後、１６００℃で３時間焼結することによって焼結体を得た。このＡ１２Ｏ３焼結体の熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫであった。得られたＡ１２Ｏ３焼結体の上下両面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。
【００３９】
タングステン抵抗発熱体の回路形成及び２枚の焼結体の接合を実施例４と同じ手法で行い、得られたセラミックスヒータについて実施例１と同じ評価を行ったところ、プルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４６％であった。
【実施例６】
【００４０】
モリブデン粉末にイットリアを１重量％添加し、バインダとしてエチルセルロースを添加混練して、抵抗発熱体の回路形成用ペーストとした以外は実施例１と同じ手法でＡｌＮ焼結体の接合体を作製し、以降同様にしてセラミックスヒータを製造した。
【００４１】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、Ｍｏ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４６％であった。
【実施例７】
【００４２】
実施例１と同じ方法で２枚の窒化アルミニウム焼結体を得た。その１枚に、Ａｇ−Ｐｄ粉末に焼結助剤とバインダとしてエチルセルロースを添加混練し、このペーストを用いて回路形成し、大気中にて９００℃で焼き付けた。もう一枚の窒化アルミニウム焼結体との接合方法は実施例４と同じ手法を用いた。
【００４３】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、Ａｇ−Ｐｄ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４５％であった。
【実施例８】
【００４４】
実施例１と同じ方法で２枚の窒化アルミニウム焼結体を得た。その１枚に、Ｎｉ−Ｃｒ粉末に焼結助剤とバインダとしてエチルセルロースを添加混練し、このペーストを用いて回路形成し、大気中にて７００℃で焼き付けた。もう一枚の窒化アルミニウム焼結体との接合方法は実施例４と同じ手法を用いた。
【００４５】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、Ｎｉ−Ｃｒ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきは±０．３％であり、ウエハ保持面の均熱性は５００℃±０．４６％であった。
【実施例９】
【００４６】
実施例１と同じ方法でタングステン抵抗発熱体を焼き付けた基板を得た。この抵抗発熱体の上に、窒化アルミニウムにＹ２Ｏ３とエチルセルロースバインダーを混練したペーストを１００μｍ塗布した。これを９００℃窒素中にて脱脂し、１８００℃で２時間焼き付けた。
【００４７】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、タングステン抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきは±０．２％であり、ウエハ保持面で５００℃±０．４０％の良好な均熱性を示した。  
【００４８】
比較例１
実施例１と同じ手法で窒化アルミニウムの成形体を２枚作製した。その１枚に実施例１と同じＷペーストを塗布し、もう１枚には実施例１と同じ接合材ペーストを塗布した。Ｗペースト面と接合材ペースト面を重ね合わせて、５０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら１８５０℃で同時焼成した。
【００４９】
得られたセラミックスヒータにっいて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、ウエハ保持面における均熱性は５００℃±１．３０％であった。また、セラミックスヒータを半径方向に切り出し、Ｗ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきを測定したところ±１．２％であった。
【００５０】
比較例２
実施例１と同じ手法で窒化アルミニウムの成形体を２枚作製し、それぞれに幅４．５ｍ止、深さ２．５ｍｍの溝を形成した。この溝内にＭｏコイルを這わせて、Ｍｏコイルを内蔵するように２枚の成形体を重ね合わせ、１００ｋｇｆ／ｃｍ２、１８５０℃の２時間窒素中でホットプレス焼結した。
【００５１】
得られたセラミックスヒータについて、実施例１と同様にして評価を行ったところ、ウエハ保持面における均熱性は５００℃±１．７０％であった。また、セラミックスヒータを半径方向に切り出し、Ｗ抵抗発熱体領域外周縁とＡｌＮ焼結体外周縁との間のプルバック長さのばらつきを測定したところ±１．５％であった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、板状のセラミックス焼結体中にコイル状の抵抗発熱体が埋設されたセラミックスヒータについて、焼結体外周縁と実質的な抵抗発熱体領域外周縁との間のプルバック長さのばらつきを制御することで、そのウエハ保持面全面における均熱性を要求されている±１．０％以下にすることができ、更に好ましくは±０．５％以下という優れた均熱性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】抵抗発熱体の回路パターンの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    セラミックス焼結体
１ａ  焼結体外周縁
２    抵抗発熱体
２ａ  抵抗発熱体領域外周縁
２ｂ  回路端部
【図１】
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